水库淹没区复建公路总体设计技术思考

汤秀英

(招商局重庆交通科研设计院有限公司, 重庆 400067)

0 引言

随着我国经济飞速增长，对能源的需求越来越大，而水电是世界公认的目前最具备规模发展的清洁可再生能源，具有受外界自然环境影响小、可持续利用年限时间长、对环境基本无影响、可调峰等诸多优点，成为促进经济发展和节能减排的主力军。大型水电站工程主要由主体(枢纽)工程、库区配套工程、输变电工程等组成。库区配套工程又包括库区淹没复建公路、移民安置点、码头、景观绿化等。库区复建公路是由于水库蓄水后淹没了现有公路，为了保证库区交通的畅通而进行的复建[1]。库区复建公路实施的好坏关系到沿线群众的出行、地方经济的发展以及电站的整体经济效益。鉴于库区公路为线性工程，线路较长，规模较大，沿线不良地质问题众多，形成机制复杂，环境保护要求高。因此，环境保护设计思路应贯穿于整个项目总体设计中。本研究以正在建设中的某水库为例，对复建公路设计中遇到的关键技术问题做深入思考。

1 路线设计关键技术

1.1 合理确定复建公路标准

公路复建工程项目的修建标准以“原场址、原宽度、原标准”的三原原则为基础[2]，综合考虑当地交通需求与经济发展规划，按照“先公路后水库”的技术路线，将后期修建水库对原有公路的影响提前筹划到公路设计建设中一并考虑[1]，综合考虑库区公路路线走廊带的资源稀缺性，因地制宜，兼顾水库区环境保护、旅游开发的需要，适度提高公路等级标准。

1.2 论证选取适宜技术指标

根据水库设计资料，把原有道路设计标高提高了70～80 m，路线走廊带由原来的“山脚线”变成了“山腰线”，水库库区地面横坡陡峭，工程地质灾害风险高，环境保护提出更高要求，应综合考虑水库淹没线和库岸坍塌宽度后确定复建公路平面线位和标高。平纵面指标宜贴合地形，选取规范低限指标，采用螺旋展线方式克服高差，尽量减少大挖大填现象。

路线长度和平面位置主要受纵坡控制，在平面设计过程中，频繁在路基段落设置回头曲线迂回展线达到降坡目的，在能够保证车辆安全行驶的基础上，牺牲部分行车舒适性。纵断面设计原则为坡脚线平面宜尽量远离淹没线，对于部分指标受限路段，可适当降低高度，但不低于水库淹没线控制水位高程。

由于库区地形复杂，线形多采用小半径圆曲线与大纵坡的灵活组合，路基形式以挖方路堑或半挖半填结合挡墙为主，对取弃土场选择应最大限度减少对库区环境的破坏；非横跨水库区减少桥梁结构物设置，需进行多方案论证，确保施工方便易行，工程造价合理可控[3]。

2 预测评估地质风险

2.1 工程地质勘察概况

库区地势自西北向东南倾斜，地貌单元以中低山丘陵地貌为主，谷坡陡峻，河谷深切，一般切割深度大于200 m，河谷、冲沟多呈“V”字型，发育有山间沉积盆地。工程区地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.45 s(中硬场地)，其对应的地震基本烈度为Ⅶ 度。区内出露的主要地层岩性有：(1)侏罗系上统南园组流纹岩、凝灰岩、流纹质晶屑凝灰熔岩。(2)侏罗系上统兜岭群下亚群砂岩、页岩、凝灰岩、块集岩；上亚群流纹岩、晶屑凝灰熔岩。(3)古生界沉积岩：二迭系栖霞组含燧石灰岩，文笔山组泥岩、粉砂岩夹硅质岩；加福组粉砂岩、细砂岩夹煤层；翠屏山组粉砂岩、细砂岩；龙潭组炭质粉砂岩、砂页岩、石英砂岩夹煤层。(4)少部分前震旦系建瓯群变质岩：龙北溪组白云母片岩、钠长阳起石片、云母石英片岩。(5)侵入岩主要为燕山早、晚期侵入的中酸性侵入岩体。主要岩性有黑云母花岗岩、细粒花岩、花岗闪长岩、花岗斑岩、次花岗斑岩等。(6)第四系地层有坡残积层和冲洪积层：坡残积层为含碎石黏土，一般厚1～3 m，局部达数10 m，分布在低缓山坡地带；冲洪积层由分选较差的砂砾卵石组成，分布在盆地、冲沟口、河床及岸坡阶地上。主要不良地质现象有：崩塌、滑坡、不均匀风化、球状风化、软弱夹层，不稳定边坡、坡面冲刷、落石、岩堆及石灰矿、煤矿及煤矿群采空区等，整体地质环境复杂程度较高。

2.2 库区坍岸风险预测和评估

研究区域内主要地质风险为当水库蓄水后，局部库岸第四系松散堆积层和破碎风化岩受水流浸泡侵蚀、风浪及波浪冲击、水位变化及干湿交替影响，抗剪强度降低及地下水动水压力变化造成库岸变形后移，即水库坍岸。

在坍岸预测时，采用常用的卡丘金法[5]，其计算简图见图1，公式如下：

S=N[(A+hp+hb)cscα+(H-hb)cscβ-

(B+hp)cscγ]，

(1)

式中，S为坍岸带最终宽度；A为库水位变化幅度，取正常蓄水位与死水位的差值；N为与土的颗粒大小有关的系数；hp为波浪冲刷深度；hb为波浪侵袭高度，hb=3.2khtgα，h为浪高，本研究取1.5 m；H为正常蓄水位以上岸坡高度；α为水下稳定坡角；β为水上岸坡稳定坡角；γ为原始岸坡坡角。

图1 坍岸预测断面示意图Fig.1 Schematic diagram of predicted bank collapse section

式中的水下稳定坡角α可根据各典型剖面图，量测到库水位上升后，然后按0.8系数折减求出岸坡水下稳定坡角；水上岸坡稳定坡角β可根据本地区地层参数经验值，将内摩擦角和黏聚力折合成等效内摩擦角，就是自然边坡永久稳定的坡角；原始岸坡坡角γ可根据断面实地测量绘制剖面图得到。根据以上参数从而可以预测到最终坍岸宽度。

从卫星影像图初步了解库区蓄水前的地形地貌特征以及初始库岸形态初步判断是原有不良地质问题复活还是工程诱发的新问题，借助无人机数据采集、三维实景模拟重点研究蓄水后工点发生变化后的微地形地貌变化特征，可以从不同角度、空间高度等研究工点具体特征；并为前期拟定工点勘察方案和应急预案提供依据。结合工程地质调绘手段，从宏观角度对可能坍岸的工点做出预判，再采用辅助调查和现场调查验证分析方法，由陆到水，由远及近，对初步认识进行核实、修正、综合分析后形成基本结论[6]。

库区沿岸公路走廊带现状局部有滑坡、崩塌、地面塌陷、地裂缝等，但多分布于水库正常蓄水位(290 m)以下，工程建设过程中和建设后局部安全可能诱发一定程度的崩塌、滑坡、岩溶塌陷、采空区塌陷等地质灾害发生。水库采空区有可能诱发低震级的采空区气爆型和抽吸型地震的可能性。地质灾害危险性小，对公路工程的总体影响小，库水位波动可能使房屋等建筑地基变形及边坡失稳，其危险性与危害性中等，采取适当的防护措施后，危害程度小。部分坍塌体路段做些工程支挡防护，尽量减少大挖大填，使环境破坏最小。

3 总体布局统筹兼顾环境影响

3.1 水土保持环境生态修复要求高

研究区域内水土流失防治责任范围为525.12 hm2，其中建设区面积257.64 hm2，直接影响区面积267.48 hm2。工程建设开挖扰动地表面积为 257.64 hm2，损坏水土保持设施面积为255.38 hm2。总挖方量为786.76万m3(其中表土剥离量为14.32万m3，拆迁建筑垃圾0.90万m3，开挖土石方量为772.26万m3)，总填方量为589.68万m3(其中表土覆土方量为14.32万m3，回填土石方量为575.36万m3)，弃方196.18万m3，运至弃渣场堆置。工程预测时段内因开挖扰动而可能产生的水土流失量为110 765.96 t，其中施工期109 712.87 t，自然恢复期1 412.00 t，工程原地貌水土流失量3 136.70 t，工程新增水土流失量107 629.26 t。弃土接纳点属于水土保持防护范围，工程弃土不允许占用库容，水土保持防护和生态修复要求高。

3.2 山区弃土场环保专项设计

为防止发生水土流失、滑坡、泥石流等次生灾害，总体布局特别对山区弃土场进行了综合考虑，对风险较大的弃土场进行了稳定性分析和生态修复专项设计。结合GIS系统强大的采集、存储、管理数据的功能，选用ArcGIS软件平台，完成初步选址工作[7]。再采用Geo-Slope/W软件模拟弃土边坡在渗流条件下的位移变形如图2～7所示，结合路基规范中采用的Bishop法验证，保证安全系数符合要求[8]。

图2 正常工况稳定性Fig.2 Stability under normal condition

图3 非正常工况稳定性Fig.3 Stability under abnormal condition

图4 正常工况横向位移(单位:m)Fig.4 Lateral displacement under normal condition(unit:m)

图5 非正常工况横向位移(单位:m)Fig.5 Lateral displacement under abnormal condition(unit:m)

图6 观测点横向位移变化Fig.6 Lateral displacement changes of observation points

图7 观测点总位移变化Fig.7 Total displacement changes of observation points

全线弃土场的生态修复主要是通过修建拦渣坝、柔性挡土墙及对下部边坡进行加固，采用工程措施与植物措施相结合，不但可以提高安全稳定性，还可以有效提高项目区植被覆盖率，防止水土流失，改善区域环境生态[9]。具体修复方案为：

(1)浆砌石拦渣坝+植物措施：对沟道型弃土场，在沟道狭窄处设置拦渣坝，坝高控制在3.0～5.0 m，坝体设泄水口，后侧弃土分级堆放，弃土平台采用植物防护，香根草生长快速，扎根生，水土流失防治效果显著，值得大力推荐。

(2)柔性挡土墙+攀爬植物方案：根据弃渣情况需要修建挡土结构时，在坡脚2.0～4.0 m设置柔性石笼挡墙，沿挡墙外脚趾栽植爬山虎、中华藤等攀爬植物，提高植被覆盖率，改善生态景观[10]。

(3)格子梁+植草(灌木)护坡方案：对于紧邻公路主干道的弃渣场，景观要求相对较高，采用格子梁或骨架护坡，在框格内植草灌防护。

(4)加强弃土场区综合排水设计[11]。

3.3 总体设计强调道路功能与环境互适性

针对研究水土保持和环境保护要求高的特点，总体设计思路特别强调道路的使用功能与环境相互适应，相互融合，按照山区绿色公路的设计理念[12]，遵循因地制宜、就地取材、以防为主、防治结合、安全经济、造型美观、顺应自然、与环境景观相协调的原则，结合路基填挖及填料情况以及施工、养护、运营等因素[13]，统筹考虑路基、路面以及防护和排水措施。路基设计中避免大填大挖，争取土石方平衡，最大化的利用弃方，上部边坡多以植物防护替代圬工防护，下部边坡防护多采用护脚替代挡土墙，尽量降低挡墙高度[14]。

对于横跨水库的桥梁，宜减少水中墩柱数量，上部结构适当采用大跨度现浇结构，桥下净空控制宜综合考虑库区管理和文旅开发需求，桥梁整体景观与环境融为一体，提升文化与艺术品位，满足水库高质量发展的要求[15]。应严格遵守水环境保护和应急管理要求，在桥头路段设置专业油水分离设施[16]。

4 结论

水库淹没区复建公路是一项复杂的系统工程，涉及的工程、地质、人文、环保等因素错综复杂，总体设计思路应在确保安全稳定的前提下[17]，准确合理预测和评估坍岸地质风险，灵活采用路线指标，合理进行工程布局，保障施工安全便利及应急抢险的需要，使工程与周边环境协调，满足库区整体建设和开发需要，选择经济适用、全面统筹的优化方案是设计人员需要深入思考和解决的首要问题[18]。